Come costruire un computer fononico

La scienza di come la luce interagisce con la materia è chiamata elettrodinamica quantistica o QED e la teoria su cui si basa è una delle conquiste principali della fisica del XX secolo.

Oggi si trova al centro di una tecnologia emergente chiamata circuito-QED, in cui i fotoni intrappolati su un chip di silicio vengono fatti interagire con dispositivi superconduttori chiamati atomi artificiali, che hanno vari livelli di energia proprio come gli atomi reali.

Questo è uno strumento promettente per il calcolo quantistico. I dispositivi Circuit-QED manipolano le informazioni quantistiche mentre vengono trasferite dalla luce alla materia e viceversa. E il fatto che tutto questo avvenga su un singolo chip consente un controllo senza precedenti.

Ma c'è un altro modo di fare questo tipo di elaborazione delle informazioni quantistiche che potrebbe essere altrettanto promettente. Invece di fare affidamento sulla luce, utilizza pacchetti quantistici di suoni chiamati fononi.

I fononi sono vibrazioni quantistiche che viaggiano attraverso il reticolo che costituisce i materiali, più o meno allo stesso modo in cui il suono attraversa l'aria. Di solito sono cose disordinate e incoerenti che vediamo come calore e rumore, cose che di solito vogliamo minimizzare o rimuovere del tutto.

Ma negli ultimi anni, i fisici hanno iniziato a esaminare modi per creare fononi intenzionalmente, per intrappolarli e renderli coerenti.

Questo ha dato loro una serie di idee interessanti. Poiché la vibrazione è essenzialmente calore, questo tipo di controllo ha portato a vari meccanismi di raffreddamento innovativi su scala nanoscopica. E poiché qualsiasi oggetto quantistico può anche trasportare informazioni quantistiche, vari fisici stanno pensando a come usare i fononi per il calcolo quantistico.

Ma prima che possano farlo, hanno bisogno di un modo per manipolare le informazioni quantistiche trasportate dai fononi. E nessuno ha trovato un buon modo per farlo.

Oggi, invece, Rusko Ruskov e Charles Tahan dell'Università del Maryland affermano di saperlo fare. La loro idea è l'equivalente fononico del circuito-QED. Quindi, invece di intrappolare un fotone in una cavità e farlo interagire con un atomo artificiale, questi ragazzi vogliono farlo con i fononi: la fonodinamica quantistica.

Il loro schema è relativamente semplice. Iniziano creando una membrana di silicio, un cristallo di silicio unidimensionale di circa 200 nanometri di spessore. Progettano proprietà di questa membrana tali da creare una sorta di guida d'onda che guida i fononi.

Creano un fonone facendo zapping su questa membrana con un laser, che invia un pacchetto quantico di vibrazioni attraverso il reticolo.

L'equivalente di un atomo intrappolato in una cavità ottica è un singolo atomo di boro o alluminio che distorce il reticolo. È questa distorsione che interagisce con il fotone.

Tuttavia, i fisici possono utilizzare un campo magnetico esterno per far sì che la distorsione assuma diversi livelli di energia. Questo cambia il modo in cui il fonone interagisce in modo da elaborare le informazioni che trasporta.

Infine, il fonone passa in un'altra regione del reticolo di silicio con un gap di banda che è stato progettato per convertire il fonone in un fotone, che può quindi essere misurato.

Sembra un buon piano. I fisici sanno già che il circuito QED è un modo potente di manipolare le informazioni quantistiche. Quindi l'unica domanda è sulla fattibilità del progetto per la fonodinamica quantistica.

La difficoltà, ovviamente, sarà costruire questa cosa che, come dicono Ruskov e Tahan, sarà un risultato fondamentale.

L'elaborazione delle informazioni quantistiche è un'area affollata con molte idee, piani e dispositivi in ​​competizione per interessi e finanziamenti. La fononica ha il vantaggio di essere un campo emergente con un'ampia applicazione in varie forme esotiche di elaborazione. Staremo a guardare con interesse per vedere come va a finire.

Rif: arxiv.org/abs/1208.1776 : Fonodinamica quantistica su chip

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